丁金水

(江蘇省高淳中等專業(yè)學(xué)校，江蘇南京 211300)

基于PLC與MCGS的秸稈發(fā)酵控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

丁金水

(江蘇省高淳中等專業(yè)學(xué)校，江蘇南京 211300)

針對(duì)秸稈發(fā)酵制取燃料乙醇的工藝特點(diǎn)，基于可編程邏輯控制器(PLC)技術(shù)與組態(tài)軟件(MCGS)設(shè)計(jì)了發(fā)酵過(guò)程系統(tǒng)軟件平臺(tái)。對(duì)秸稈發(fā)酵制取燃料乙醇系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了闡述，包括上位機(jī)組態(tài)軟件流程、登錄和發(fā)酵過(guò)程監(jiān)控界面、系統(tǒng)警報(bào)和報(bào)表以及下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程，并通過(guò)軟件對(duì)程序進(jìn)行編程設(shè)計(jì)，最后將設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)軟件在鎮(zhèn)江日泰公司進(jìn)行實(shí)際安裝與調(diào)試，取得較好的效果。

秸稈發(fā)酵燃料乙醇過(guò)程；可編程邏輯控制器；組態(tài)軟件；系統(tǒng)軟件

生物質(zhì)能源以其資源豐富、使用方便、清潔無(wú)污染等特點(diǎn)，被世界各國(guó)譽(yù)為具有巨大經(jīng)濟(jì)潛力的朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)[1]。燃料乙醇作為世界上生產(chǎn)和使用規(guī)模最大的生物質(zhì)能源，是從生物質(zhì)中提取的唯一能夠直接用于車用燃料的液態(tài)能源載體，特別是以農(nóng)作物秸稈、柴草、木材加工廢棄物等大量存在的木質(zhì)纖維素為原料發(fā)酵生產(chǎn)的燃料乙醇，在實(shí)現(xiàn)資源高效綜合利用的同時(shí)，可以避免上述物質(zhì)帶來(lái)的環(huán)境污染，對(duì)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)起到重要作用[2]。

近年來(lái)，秸稈發(fā)酵制取燃料乙醇朝著規(guī)?；?、集約化方向發(fā)展，發(fā)酵罐由原來(lái)的幾升逐漸擴(kuò)大至上百噸[3]，乃至幾千噸，如此大規(guī)模的發(fā)酵罐系統(tǒng)，一旦操作控制發(fā)生差錯(cuò)，就會(huì)造成原料的浪費(fèi)和設(shè)備的空轉(zhuǎn)，導(dǎo)致非常嚴(yán)重的后果。而發(fā)酵制取燃料乙醇本身具有高度非線性、強(qiáng)耦合、多參數(shù)、強(qiáng)時(shí)變等特性[4]，要想同時(shí)兼顧其優(yōu)良的產(chǎn)出率和單位時(shí)間內(nèi)的高效益，就必須設(shè)計(jì)出配套的發(fā)酵過(guò)程控制系統(tǒng)軟件，以對(duì)發(fā)酵制取燃料乙醇進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)與監(jiān)控。

目前，秸稈發(fā)酵制取燃料乙醇過(guò)程大都選取傳統(tǒng)繼電器作為主控裝置構(gòu)成控制系統(tǒng)，不僅工作強(qiáng)度高而且存在諸如操控錯(cuò)誤和時(shí)間難以把控等問(wèn)題，導(dǎo)致發(fā)酵制取燃料乙醇過(guò)程易出現(xiàn)偏差，使乙醇產(chǎn)出率較低。近年來(lái)，隨著編程邏輯控制器(PLC)技術(shù)、組態(tài)軟件(MCGS)和人工智能技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們對(duì)系統(tǒng)的功能要求早已不限定在完成設(shè)定的程序上，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、分析等也已成為控制系統(tǒng)的重要組成部分?；诖耍P者對(duì)秸稈發(fā)酵制取燃料乙醇過(guò)程進(jìn)行研究，基于PLC和組態(tài)軟件MCGS，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了秸稈發(fā)酵制取燃料乙醇過(guò)程系統(tǒng)軟件。系統(tǒng)軟件運(yùn)行過(guò)程中，工人只需要提前確認(rèn)發(fā)酵過(guò)程狀態(tài)信息，校對(duì)發(fā)酵數(shù)據(jù)，即可通過(guò)監(jiān)控界面了解秸稈發(fā)酵燃料乙醇過(guò)程的各個(gè)運(yùn)行狀態(tài)信息，并實(shí)現(xiàn)發(fā)酵現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)人智能監(jiān)控，因此可大大減少人工勞力，降低生產(chǎn)成本，也使發(fā)酵過(guò)程更加可靠，極大地推動(dòng)了秸稈發(fā)酵制取燃料乙醇的規(guī)模化、集約化生產(chǎn)進(jìn)程。

1 軟件設(shè)計(jì)總體方案

秸稈發(fā)酵制取燃料乙醇過(guò)程系統(tǒng)軟件由上位機(jī)監(jiān)控軟件和下位機(jī)控制軟件共同構(gòu)成。上位機(jī)監(jiān)控軟件選擇北京昆侖通態(tài)的組態(tài)軟件MCGS進(jìn)行開(kāi)發(fā)，下位機(jī)控制軟件選用西門(mén)子V4.0 STEP 7 MicroWIN SP9編程軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)[5]。

秸稈發(fā)酵制取燃料乙醇過(guò)程系統(tǒng)軟件的運(yùn)行過(guò)程：系統(tǒng)正常啟動(dòng)后，上位機(jī)監(jiān)控軟件接收下位傳輸?shù)陌l(fā)酵過(guò)程當(dāng)前狀態(tài)信號(hào)[發(fā)酵罐溫度、溶解氧(DO)、pH、電機(jī)轉(zhuǎn)速等]，并在監(jiān)控界面上實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示，同時(shí)對(duì)狀態(tài)信號(hào)設(shè)定值進(jìn)行設(shè)置，并傳輸?shù)较挛粰C(jī)控制軟件中。在自運(yùn)行模式下，下位機(jī)軟件通過(guò)溫度、DO、pH、轉(zhuǎn)速等傳感器實(shí)時(shí)采集狀態(tài)信號(hào)，根據(jù)采樣值和設(shè)定值之間的差值，通過(guò)內(nèi)部的控制算法計(jì)算出當(dāng)前控制量，通過(guò)控制指令控制相應(yīng)的執(zhí)行元件，從而達(dá)到智能控制的目的。手動(dòng)模式下，下位機(jī)軟件根據(jù)用戶指定，自行控制各個(gè)執(zhí)行元件。

2 上位機(jī)軟件

上位機(jī)監(jiān)控軟件主要功能是對(duì)秸稈發(fā)酵制取燃料乙醇過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)在線檢測(cè)與監(jiān)控，它是自動(dòng)控制系統(tǒng)的可視化部分，它使得用戶能夠便捷地了解秸稈發(fā)酵乙醇過(guò)程的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，很大程度上提高了系統(tǒng)的效率和可靠性。工程軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)前，首先對(duì)秸稈發(fā)酵制取燃料乙醇過(guò)程進(jìn)行工藝機(jī)理分析，確定被控對(duì)象(發(fā)酵現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行器設(shè)備電磁閥、電加熱器、補(bǔ)水閥等的控制輸出)和數(shù)據(jù)采集對(duì)象(發(fā)酵溫度、電機(jī)攪拌轉(zhuǎn)速、發(fā)酵液pH、發(fā)酵液溶解氧、消泡劑流加速率、補(bǔ)料量等)。監(jiān)控組態(tài)工程軟件對(duì)上述發(fā)酵過(guò)程狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示、越限報(bào)警變色顯示、參數(shù)曲線顯示，并且完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理功能，按需讀取歷史參數(shù)，并且對(duì)報(bào)警進(jìn)行記錄。

上位機(jī)軟件應(yīng)具有以下功能：登陸界面，工藝流程圖主界面管理，工藝參數(shù)實(shí)時(shí)在線顯示，工藝參數(shù)歷史趨勢(shì)顯示，報(bào)警信號(hào)記錄等。組態(tài)軟件MCGS可以對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集與分析，并且能夠方便地設(shè)計(jì)出主界面和控制工藝流程，而且它還集成了實(shí)時(shí)監(jiān)控等其他功能，基于此該研究利用組態(tài)軟件MCGS開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)上位機(jī)軟件，借助組態(tài)軟件構(gòu)建的上位機(jī)軟件系統(tǒng)，大大增強(qiáng)了秸稈發(fā)酵控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性，節(jié)約了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成本，提高了開(kāi)發(fā)速度。

2.1 登錄界面設(shè)計(jì) 秸稈發(fā)酵過(guò)程監(jiān)控界面首先要通過(guò)登錄界面才能進(jìn)入，使用者只有使用恰當(dāng)?shù)牡卿浢捌ヅ涞拿艽a方可運(yùn)行整個(gè)發(fā)酵系統(tǒng)。如圖1是系統(tǒng)登錄界面。

圖1 秸稈發(fā)酵過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)登錄界面Fig.1 Login interface of monitoring system of straw fermentation process

在登錄者中進(jìn)行級(jí)別劃分，能夠使不同級(jí)別權(quán)限的使用者執(zhí)行被授權(quán)的相關(guān)操控。該研究將上位機(jī)監(jiān)控界面的權(quán)限分為工程師和值班操作員2個(gè)等級(jí)，其中工程師用戶權(quán)限高于值班操作員權(quán)限。值班操作員的權(quán)限不具有對(duì)現(xiàn)場(chǎng)任何底層設(shè)備的操作權(quán)限，只可以對(duì)畫(huà)面數(shù)據(jù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控，進(jìn)行報(bào)警消息的確認(rèn)和歸檔等操作。秸稈發(fā)酵過(guò)程系統(tǒng)軟件的管理人員，通常被分配工程師級(jí)別的權(quán)限。他們可控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的啟停和對(duì)運(yùn)行工程進(jìn)行操作，可以對(duì)畫(huà)面進(jìn)行修改編輯，在組態(tài)軟件配置文件中對(duì)用戶權(quán)限進(jìn)行分配及用戶的登錄界面。

2.2 發(fā)酵過(guò)程監(jiān)控界面設(shè)計(jì) MCGS組態(tài)軟件內(nèi)置各種工業(yè)設(shè)備的模型圖[6]，根據(jù)用戶的需要和秸稈發(fā)酵制取燃料乙醇工藝的要求，對(duì)界面進(jìn)行設(shè)計(jì)和管理。此外，對(duì)不滿意的功能單元按照自己的設(shè)想進(jìn)行修改和完善，對(duì)于MCGS組態(tài)軟件圖庫(kù)中不存在的圖形功能單元，借助組態(tài)畫(huà)圖軟件工具進(jìn)行設(shè)計(jì)與二次開(kāi)發(fā)[7]。

在發(fā)酵過(guò)程上位機(jī)監(jiān)控界面里，如圖2所示，用戶除了可以進(jìn)行發(fā)酵、滅菌和停止操作以及實(shí)時(shí)在線觀測(cè)當(dāng)前發(fā)酵過(guò)程的各種狀態(tài)信號(hào)，還可以對(duì)發(fā)酵過(guò)程的各個(gè)狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行手動(dòng)調(diào)控，而且當(dāng)系統(tǒng)軟件發(fā)生警報(bào)還可以進(jìn)行消警處理，并可以觀察、訪問(wèn)發(fā)酵過(guò)程的歷史數(shù)據(jù)和當(dāng)前數(shù)據(jù)。

圖2 秸稈發(fā)酵過(guò)程上位機(jī)監(jiān)控界面Fig.2 Upper monitor monitoring interface of straw fermentation process

2.3 運(yùn)行參數(shù)設(shè)定 秸稈發(fā)酵制取燃料乙醇過(guò)程中運(yùn)行的參數(shù)較多，操作人員需要針對(duì)不同罐批的發(fā)酵需求設(shè)定發(fā)酵參數(shù)初始值(根據(jù)發(fā)酵工藝，基于發(fā)酵過(guò)程的最適條件對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置)。參數(shù)設(shè)定分為公共參數(shù)和當(dāng)前罐批發(fā)酵參數(shù)。公共參數(shù)里設(shè)定是夏季/冬季發(fā)酵(季節(jié)因素對(duì)發(fā)酵過(guò)程影響較大)、滅菌時(shí)間、發(fā)酵時(shí)間、歷史記錄間隔時(shí)間和發(fā)酵罐內(nèi)視鏡燈關(guān)閉延時(shí)時(shí)間等。當(dāng)前罐批發(fā)酵參數(shù)主要是設(shè)定攪拌轉(zhuǎn)速、pH、溶解氧濃度、罐內(nèi)溫度、夾層溫度、消泡劑流加速率、補(bǔ)料量等狀態(tài)信號(hào)。只有正確設(shè)定了秸稈發(fā)酵過(guò)程的各初始參數(shù)，才能進(jìn)行后續(xù)的自動(dòng)發(fā)酵。圖3是秸稈發(fā)酵過(guò)程系統(tǒng)軟件的溫度參數(shù)設(shè)置。

如圖3所示，發(fā)酵開(kāi)始前，操作員對(duì)發(fā)酵罐各個(gè)溫度參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置好的參數(shù)通過(guò)上位機(jī)組態(tài)軟件傳輸?shù)较挛粰C(jī)軟件中，下位機(jī)軟件根據(jù)溫度參數(shù)設(shè)定情況對(duì)發(fā)酵罐溫度進(jìn)行自動(dòng)控制。其中電機(jī)攪拌轉(zhuǎn)速、滅菌時(shí)間、發(fā)酵時(shí)間等參數(shù)的設(shè)置圖與溫度參數(shù)設(shè)置圖大體相同，不再一一例舉。

2.4 系統(tǒng)警報(bào)和報(bào)表設(shè)計(jì) 當(dāng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，發(fā)出緊急的水箱低液位報(bào)警、水系統(tǒng)低壓力報(bào)警、停泵報(bào)警、溫度報(bào)警等時(shí)，系統(tǒng)實(shí)時(shí)報(bào)警界面會(huì)自動(dòng)彈出，而發(fā)酵罐控制柜內(nèi)的音響會(huì)相應(yīng)地發(fā)出報(bào)警鈴聲。此時(shí)，操作員需立即前往現(xiàn)場(chǎng)處理相應(yīng)的報(bào)警問(wèn)題，待報(bào)警處理完畢，系統(tǒng)運(yùn)行正常后，在觸摸屏上，必須在該界面中消除報(bào)警狀態(tài)，即用鼠標(biāo)左鍵雙擊“消警”。每條報(bào)警信息都會(huì)記錄在歷史報(bào)警表中。圖4是報(bào)警信息圖表。

圖4 系統(tǒng)報(bào)警信息表界面 Fig.4 System alarm information table interface

點(diǎn)擊圖2中的“歷史”按鈕可進(jìn)入歷史發(fā)酵數(shù)據(jù)報(bào)表，該報(bào)表記錄著歷史發(fā)酵過(guò)程參數(shù)數(shù)據(jù)信息，如圖5歷史數(shù)據(jù)報(bào)表所示。在此可點(diǎn)擊相應(yīng)按鈕進(jìn)入 “歷史曲線”畫(huà)面，將歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)(以EXCEL表格存儲(chǔ)，方便用戶讀取)。

圖5 歷史數(shù)據(jù)報(bào)表界面Fig.5 Historical data report interface

3 下位機(jī)軟件

秸稈發(fā)酵制取乙醇過(guò)程下位機(jī)軟件采用西門(mén)子V4.0 STEP 7 MicroWIN SP9開(kāi)發(fā)。V4.0 STEP 7 MicroWIN SP9是基于Windows的應(yīng)用軟件，由西門(mén)子公司特地給S7-200系列PLC設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)[5，8]。它性能多樣，兼容性強(qiáng)，編程簡(jiǎn)單，非常適用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)酵現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行狀態(tài)[9]。

實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，下位機(jī)軟件有2種運(yùn)行模式。自運(yùn)行模式下，下位機(jī)軟件通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)采集發(fā)酵過(guò)程的各狀態(tài)信號(hào)，根據(jù)采樣值和實(shí)際設(shè)定值(上位機(jī)軟件傳送過(guò)來(lái)的各狀態(tài)信號(hào)當(dāng)前設(shè)定值)之間的差值，通過(guò)內(nèi)部的控制算法計(jì)算出當(dāng)前控制量，通過(guò)控制指令控制相應(yīng)的執(zhí)行元件，從而達(dá)到智能控制的目的。手動(dòng)模式下，下位機(jī)軟件根據(jù)用戶指定，自行控制各個(gè)執(zhí)行元件。下位機(jī)軟件程序流程圖如圖6所示。

圖6 下位機(jī)軟件主程序控制流程Fig.6 Main program control flow of lower machine software

4 系統(tǒng)軟件安裝與調(diào)試

系統(tǒng)軟件的調(diào)試是整個(gè)軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵[10]，該研究將設(shè)計(jì)好的秸稈發(fā)酵燃料乙醇過(guò)程系統(tǒng)軟件在鎮(zhèn)江日泰公司進(jìn)行了實(shí)際安裝與調(diào)試，圖7是系統(tǒng)軟件實(shí)際安裝與調(diào)試圖。

圖7 實(shí)際安裝與調(diào)試示意Fig.7 Actual installation and commissioning

如圖7所示，系統(tǒng)軟件調(diào)試設(shè)備主要是由左邊的發(fā)酵罐和右邊的控制柜組成。用于支撐系統(tǒng)軟件的發(fā)酵過(guò)程設(shè)備主要包括PLC模塊、各類信號(hào)傳感器、電源、開(kāi)關(guān)、散熱器、報(bào)警信號(hào)燈等幾部分。調(diào)試過(guò)程中，操作人員通過(guò)控制柜上的上位機(jī)監(jiān)控軟件實(shí)時(shí)了解發(fā)酵過(guò)程的當(dāng)前狀態(tài)，通過(guò)調(diào)節(jié)上位機(jī)監(jiān)控界面的發(fā)酵參數(shù)設(shè)置來(lái)達(dá)到發(fā)酵過(guò)程的實(shí)時(shí)控制，并配合調(diào)試工程師進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，及時(shí)解決調(diào)節(jié)過(guò)程中的問(wèn)題，同時(shí)做調(diào)試效果的檢驗(yàn)、檢測(cè)和記錄工作。最終調(diào)試結(jié)果表明，秸稈發(fā)酵制取燃料乙醇過(guò)程系統(tǒng)軟件在功能性、可靠性、易用性等方面完全滿足控制性能的要求，并且具備進(jìn)行工程化開(kāi)發(fā)的條件。

5 結(jié)論

該研究以秸稈發(fā)酵制取燃料乙醇過(guò)程為研究對(duì)象，應(yīng)用PLC和組態(tài)軟件MCGS開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了秸稈發(fā)酵制取燃料乙醇過(guò)程系統(tǒng)軟件，對(duì)秸稈發(fā)酵控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了闡述，包括上位機(jī)組態(tài)軟件流程、登錄界面設(shè)計(jì)、發(fā)酵過(guò)程監(jiān)控界面設(shè)計(jì)、系統(tǒng)警報(bào)和報(bào)表設(shè)計(jì)、運(yùn)行參數(shù)設(shè)定以及下位機(jī)軟件程序流程圖設(shè)計(jì)，并通過(guò)軟件對(duì)程序進(jìn)行編程設(shè)計(jì)，最后將設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)軟件在鎮(zhèn)江日泰公司進(jìn)行實(shí)際安裝與調(diào)試。調(diào)試結(jié)果表明，秸稈發(fā)酵制取燃料乙醇過(guò)程系統(tǒng)軟件在功能性、可靠性、易用性等方面完全滿足控制性能的要求，并且具備進(jìn)行工程化開(kāi)發(fā)的條件，有廣闊的應(yīng)用前景。

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Software Design of Straw Fermentation Control System Based on PLC and MCGS

DING Jin-shui

(Jiangsu Gaochun Secondary Vocational School, Nanjing, Jiangsu 211300)

According to the production process characteristics of straw fermentation fuel ethanol,the software system of fermentation process was designed based on PLC and MCGS configuration software. The structure of the software of straw fermentation fuel ethanol process was elaborated, including PC configuration software process, configuration design, database configuration, device driver configuration operation and lower computer software design process, and through the software programming design of the program, the actual installation and commissioning were carried out in RITAI company,achieved good results.

Straw fermentation fuel ethanol process; PLC; Configuration software; System software

江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK20140568, BK20151345)；江蘇省高校自然科學(xué)研究面上基金項(xiàng)目(14KJB510007)。

丁金水(1966- )，男，江蘇南京人，高級(jí)講師，碩士，從事職業(yè)教育及機(jī)電工程研究。

2016-11-16

S 216.2;TP 273

A

0517-6611(2016)34-0225-03